Что такое пав в химии простыми словами
Поверхностно-активные вещества
Однако, ПАВ имеет предел растворимости (так называемую критическую концентрацию мицеллообразования или ККМ), с достижением которого при добавлении ПАВ в раствор концентрация на границе раздела фаз остается постоянной, но в то же время происходит самоорганизация молекул ПАВ в объёмном растворе (мицеллообразование или агрегация).
В результате такой агрегации образуются так называемые мицеллы.
Отличительным признаком мицеллообразования служит помутнение раствора ПАВ.
Водные растворы ПАВ, при мицеллообразовании также приобретают голубоватый оттенок (студенистый оттенок) за счёт преломления света мицеллами.
Теоретически любое химическое соединение, имеющее в молекуле гидрофильные и гидрофобные участки, будет поверхностно активным.
Однако в действительности только некоторые из них являются эффективными моющими средствами, стабилизаторамиэмульсий и пен, пленкообразователями и т. д.
По своему применению ПАВ данного класса делятся на смачиватели, солюбилизаторы, эмульгаторы, моющие агенты, пенообразователи.
Упрощенно действие поверхностно активных веществ можно описать следующим образом.
Благодаря тому, что ПАВ обладают поверхностной активностью, они снижают поверхностное натяжение воды, поэтому загрязнение лучше отстает от поверхности (кожи, волос).
Что и обеспечивает перевод загрязнений в раствор, т. е. отмывку загрязнений.
Происходит это благодаря тому, что молекула ПАВ имеете двойственную структуру один ее конец гидрофильный (т.е. любит воду) другой липофильный (т.е. любит жир).
Анионные ПАВ, отвечают за моющую способность любого щелочного мыла (детского, ручной работы, банного, туалетного и т.п.), а также большинства шампуней и жидких мыл.
В моющих средствах жирорастворимая часть молекулы анионного ПАВ связывает и обволакивает частицы грязи в секрете сальных желез, которые затем вымываются водой.
Одновременно водорастворимая часть молекулы ориентирует эти частицы в сторону от кожи, несущей отрицательный заряд.
При этом жирные загрязнения попадают внутрь молекулы ПАВ, благодаря чему не оседают на поверхности снова.
А уходят вместе с водой, удерживаясь в ней благодаря гидрофильной части.
Тем не менее, в мире потребляется ежегодно 9 млн. т мыла.
Таким образом, мыло остается наиболее распространенным в мире ПАВ.
Разновидности, критерии выбора ПАВ в моющих средствах
Практически все моющие средства, применяемые в быту для удаления загрязнений с поверхностей любого типа, а также для стирки белья, содержат в себе поверхностно-активные вещества – ПАВы.
Что это такое, каких разновидностей бывают, насколько они эффективны при обработке предметов и как влияют на человека – ответы в предлагаемой статье.
Что это такое?
ПАВ – это химические вещества, содержащиеся практически во всех препаратах бытовой химии, используемых для мытья посуды, стирки вещей и обработки поверхностей предметов быта. Без их добавления в моющие средства последние утрачивают способность эффективно очищать, отмывать и отстирывать.
Молекулы воды, даже очень горячей, не связываются с молекулами жира, поэтому не смывают их в полной мере. Именно с этой целью используются ПАВы, обеспечивающие соединение молекул воды с частичками жира.
Молекулы ПАВ представляют собой двухполюсную сферу. Один из них – липофильный вступает в контакт с жирами. Второй – гидрофильный прикрепляется к молекуле воды. В результате такого двухстороннего прикрепления воды и жира (или загрязнений другого вида) происходит эффективное очищение поверхностей.
В качестве одного из компонентов большинства моющих средств используются неорганические поверхностно-активные вещества. В отличие от органических, которые принято считать абсолютно безопасными, неорганические ПАВы в разной степени влияют на организм человека. Это напрямую зависит от их вида:
Чем опасны?
Поверхностно-активные вещества представляют собой продукт, получаемый в результате переработки нефтехимического сырья. Эти частицы достаточно агрессивны. Высокий уровень их содержания в окружающей среде становится причиной снижения поверхностного натяжения.
Особую опасность данный факт представляет для океана, так как это негативно отражается на удерживании кислорода и углекислого газа в воде. Это, в свою очередь, пагубно влияет на ее флору и фауну.
Использование ПАВ в промышленном производстве и повседневной хозяйственной деятельности приводит к оседанию их частиц на почве. В результате этого происходит удержание этими частичками свободных ионов тяжелых металлов, что значительно повышает вероятность проникновения опасных соединений в человеческий организм.
Влияние на организм человека
Средства, содержащие ПАВы, отлично справляющиеся с загрязнениями любого происхождения. Однако многие из них оказывают негативное влияние на организм:
Исследованиями установлено, что для восстановления защитного слоя кожи потребуется до 4 часов после ее контакта с поверхностно-активными частицами.
За этот период защитный жировой слой эпидермиса способен восстановиться на 60 %. Но не все средства бытовой химии обеспечивают такой процент.
Минимизировать риски агрессивного действия поверхностно-активных веществ удается при условии правильного выбора моющих средств. Лучшими из них признаны препараты, содержащие ПАВы с высоким уровнем биоразлагаемости.
Как выбрать безопасные препараты?
Использование эффективных средств бытовой химии прочно вошло в повседневную жизнь. Это становится поводом к более тщательному отбору применяемых препаратов с учетом их безопасности для организма:
Советы
Разумный подход к использованию моющих средств предусматривает следование простым советам. Вот самые важные из них:
Следование этим рекомендациям – гарантия безопасности и эффективности применения моющих средств.
Видео по теме статьи
О ПАВ в моющих средства расскажет видео:
Заключение
ПАВ в составе моющих средств обеспечивает эффективность препаратов. Однако только разумный подход к использованию бытовой химии гарантирует безопасность для организма человека. Приобретая моющее средство, следует учитывать сложность предстоящей работы. Это поможет эффективно устранить загрязнение и минимизировать негативное воздействие ПАВ.
Поверхностно активные вещества (ПАВ)
Кто из нас в детстве не развлекался мыльными пузырями? В своих забавах мы, конечно же, были далеки от мысли, что невольно приобщаемся к вездесущему явлению природы, связанному с действием поверхностно-активных веществ. Не рискуя сильно погрешить против истины, можно сказать, что из забав с мыльными пузырями выросла целая наука, именуемая в наши дни физико-химией поверхностных явлений. Во всяком случае, мыльные пузыри наверняка были в ряду ее первых объектов наблюдений. Сейчас это развитая область научной деятельности, питающая своими идеями мощную индустрию в десятках стран мира.
Из прачечной — в большую индустрию
Многие вещества, растворенные в жидкости или в газе, в соответствующих условиях могут скапливаться, адсорбироваться на границах раздела сред (жидкость — воздух, жидкость — твердое тело), так или иначе влияя на свойства поверхностей. Однако поверхностно-активными называют именно такие вещества, которые уже при очень малых концентрациях в растворе вызывают сильные изменения свойств поверхности раздела. Наибольшее значение имеет изменение поверхностного натяжения.
Способность молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ) избирательно адсорбироваться на поверхности раздела обусловлена их асимметричной структурой. Ученые обычно сравнивают молекулу ПАВ с головастиком. Ее «головка» — небольшая по сравнению со всей молекулой группа атомов — сильно притягивается к молекулам воды или твердых тел. Такие группы атомов называют полярными, так же как и среды, с которыми они хорошо взаимодействуют. Противоположными свойствами наделен углеводородный «хвостик» молекулы. Он слабо притягивает другие молекулы и реагирует только с такими неполярными фазами, как углеводороды — бензин, керосин, бензол и т. п. (В качестве примера полярных сред можно еще назвать спирты и кислоты, а общеизвестными неполярными средами являются воздух, нефть, парафин.)
Если такая молекула находится, например, в водном растворе, граничащем с воздухом, то ее неполярная часть выталкивается в неполярную среду, а растворимая в воде (гидрофильная) группа («головка»), наоборот, стремится остаться в полярной среде — воде. В результате молекулы ПАВ будут накапливаться на границе раздела вода — воздух, пока не покроют ее сплошным слоем толщиной в одну молекулу. Расположение молекул на поверхности раздела оказывается при этом упорядоченным — все они обращены полярными группами в сторону воды, а их несмачиваемые «хвосты» выталкиваются в воздух.
Именно такое строение имеют пленки мыльной пены, в частности те самые мыльные пузыри. С воздухом здесь непосредственно граничит уже не поверхность самой воды, а мономолекулярный слой ПАВ, обладающий иными свойствами. Другими станут и свойства всей поверхности раздела: она станет более упругой, если хотите, более прочной.
Первому человеку, сварившему мыло, смешав жир с золой растений, было невдомек, что он находится у истоков мощной индустрии ПАВ. В течение столетий мыло оставалось единственным поверхностно-активным веществом, причем использовалось лишь одно, но очень важное его свойство — моющее действие.
Чистая вода плохо смачивает кожу нашего тела или загрязненные предметы, покрытые тонкой пленкой жира с частицами грязи. Если в воду добавить мыло, углеводородные «хвосты» его молекул слипнутся с жировой пленкой, а их полярные группы будут прочно удерживать молекулы в воде. Эти связи оказываются прочнее, чем связи между частицами грязи и кожей, в результате жир и грязь снимаются с загрязненной поверхности и уносятся с водой.
На изготовление мыла шло много жиров и масел растительного происхождения. Поэтому возникла мысль: а не попробовать ли создать синтетические моющие средства?
Промышленное производство синтетических поверхностно-активных веществ началось в конце тридцатых годов прошлого ХХ века. Поначалу ПАВ были призваны играть роль заменителей мыла. Однако очень скоро они вырвались за пределы бытовой химии и шагнули в большую промышленность и науку.
Применение поверхностно активных веществ
Сейчас уже трудно назвать сферу человеческой деятельности, где бы не использовались ПАВ. Они вездесущи: их присутствие необходимо и в пищевой промышленности — для улучшения качества и удлинения сроков хранения «хлеба насущного», и в сельском хозяйстве — для получения защитных пен, гранулированных удобрений, для ускорения прорастания семян; в горно-обогатительной промышленности — для флотационного обогащения полезных ископаемых; в металлообрабатывающей — для производства многочисленных смазочно-охлаждающих жидкостей: в машиностроении — для защиты черных и цветных металлов от коррозии; в химико-фотографической — для равномерного нанесения эмульсионных слоев при поливе движущихся подложек; в условиях гидротехнического строительства — для пластифицирования цементов и бетонов.
Большой экономический эффект дают поверхностно-активные вещества, например, при бурении горных пород. Введение в буровые растворы мизерного количества добавок ПАВ (всего несколько сот граммов на метр пробуренной скважины диаметром 200 миллиметров) ускоряет проходку скважины на 25—30 процентов и увеличивает срок службы бурильного оборудования в два-три раза.
Или возьмем нефтяную промышленность. И здесь у ПАВ обширное поле деятельности: их используют, начиная с проходки первых метров скважины вплоть до процессов переработки нефти. Расход ПАВ невелик, а выгода огромна. Без их применения степень отдачи нефтепластов колеблется от 40 до 50 процентов. Поверхностно-активные вещества повышают степень выработки пласта до 90 процентов, заставляя нефть идти по тем каналам и микротрещинам, по которым она раньше из-за высокого поверхностного натяжения двигаться не могла. Применение одной тонны ПАВ приносит дополнительно 150—200 тонн нефти!
Спектр использования ПАВ чрезвычайно широк, но… Как часто бывает, решение одной научной проблемы влечет за собой появление новых, подчас совсем неожиданных. И — нежелательных. С ПАВ произошло то же, что несколько раньше случилось с ядохимикатами: положительные результаты их применения проявились немедленно, а отрицательные заставили себя ждать до поры до времени. И проявились они, эти отрицательные результаты, в одной области — экологии. Подобно ядохимикатам, синтетические ПАВ внесли свою лепту в загрязнение окружающей среды.
Загрязнение поверхностно-активными веществами
Уже в пятидесятые годы прошлого века обнаружилось, что многие синтетические ПАВ, в отличие от природного в основе своей продукта — мыла, не усваиваются микроорганизмами, которые очищают биосферу от отходов природного происхождения. Накапливаясь в водоемах, ПАВ вызывают весьма вредные явления. Одно из них — уменьшение притока кислорода из-за образования поверхностной пленки, столь полезной в других случаях. В результате — гибель обитающих в воде организмов.
Выяснилось также, что биологически неразлагаемые (биологически «жесткие») ПАВ могут вредить человеку и другими способами: накапливаясь в водоемах, они попадают в питьевую воду, вспенивают ее и изменяют вкус. Более того, некоторые ПАВ, используемые для сугубо технических целей, отнюдь не безвредны.
Один из самых распространенных и эффективных способов очистки сточных вод от органических загрязнений — биологический. Загрязненная вода поступает в очистные бассейны — аэротенки и перемешивается с активным илом, состоящим из специальных микроорганизмов. Для перемешивания используется сжатый воздух, который одновременно необходим и для жизнедеятельности микроорганизмов активного ила. Пищей для этих микроорганизмов служат присутствующие в сточных водах органические вещества. Но не все!
Биологически «жесткие» ПАВ не усваиваются бактериями активного ила, и это еще полбеды. При повышенных концентрациях ПАВ на поверхности бассейна образуется пена, которая уносит частицы активного ила — точно так же, как она уносит частицы руды при флотационном обогащении. Но эта флотация вредна — она повышает расход ила и ухудшает очистку. Причем такой результат могут дать даже биологически мягкие ПАВ, если в сточной воде их слишком много. Допустимая нагрузка на аэротенки составляет 20 миллиграммов пенообразующих ПАВ в литре сточных вод. Много это или мало? Для бытовых сточных вод это много, но в промышленных стоках концентрации ПАВ доходят иногда до 200 и даже до 2000 миллиграммов на литр. Такие сточные воды приходится разбавлять… чистой водой!
Почему же микроорганизмы отказываются есть синтетические ПАВ? Причины такого «пренебрежения» кроются в структуре поверхностно-активных веществ: как правило, сложные, разветвленные углеводородные цепи оказываются более «жесткими».
Можно ли заменить биологически «жесткие» ПАВ биологически «мягкими» в промышленном масштабе? Принципиально можно. Но в одних случаях это сделать сравнительно легко (и уже делается), в других — труднее. Во-первых, сложна перестройка большой отрасли промышленности. Во-вторых, в технике появились процессы, требующие применения только определенного типа ПАВ, которому трудно найти равноценный «мягкий» заменитель. Иногда заменитель находят, но он оказывается таким дорогим, что дешевле отказаться от самого процесса, где применяется ПАВ.
Вот и производят до сих пор «условно мягкие» ПАВ с биоразлагаемостью 95 процентов. А какова судьба остальных, бионеразлагаемых 5 процентов? В искусственных очистных сооружениях они не разрушаются, следовательно, не будут разрушаться и в природных условиях. То есть будут накапливаться.
Возможны два пути решения проблемы ПАВ: замена всех без исключения «жестких» ПАВ «мягкими» и разработка новых, более эффективных методов очистки. Эти два пути не исключают, а дополняют друг друга: уже говорилось, что даже биологически «мягкие» ПАВ в слишком больших количествах плохо влияют на работу очистных систем. Третий, наиболее радикальный путь — устранение любых сточных вод, содержащих ПАВ. Но он осуществим далеко не всегда: например, сейчас трудно себе представить, чем можно заменить водные растворы ПАВ в процессах мойки или крашения волокон и тканей.
Радиационная мельница
Новых методов очистки сточных вод от ПАВ много, но мы расскажем только об одном — методе, в котором используются излучения высокой энергии. Коротко его называют радиационной очисткой воды.
Используется тот известный факт, что кванты излучения или частицы с достаточно большой энергией (больше энергии связей электронов в атомах или атомов в молекулах) могут ионизировать атомы и разрушать молекулы, в том числе и молекулы воды. Таковы, например, гамма- и бета-излучения радиоактивных изотопов, рентгеновское излучение, потоки частиц и электронов высокой энергии, получаемые в ускорителях.
При облучении разбавленных растворов энергия идет в основном на разложение воды, то есть радиолиз. А продукты, образующиеся при радиолизе воды, известны. В их число входят очень активные окислители и восстановители — гидроксильный радикал ОН, атом водорода Н и гидратированный электрон. Эти частицы вступают затем в химические реакции с присутствующими в сточных водах органическими загрязнениями, такими, как ПАВ. Описание протекающих при этом процессов увело бы нас слишком далеко в сторону. Важен результат, а он таков: молекулы ПАВ превращаются в продукты радиолиза, не обладающие поверхностно-активными свойствами. А это значит, что пена уже не сможет образоваться и не помешает работе аэротенков и других очистных сооружений, если в них подать предварительно облученную сточную воду.
Было известно и раньше, что если облучить раствор органического вещества достаточно большой дозой (доза — это количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облученного вещества), то можно разложить это вещество на самые простейшие конечные продукты. Однако необходимо ли это? Энергия излучения стоит дорого, а чем выше концентрация ПАВ, тем больше требуемая доза и выше стоимость процесса очистки.
Выяснилось, что дозой, достаточной лишь для подавления поверхностно-активных свойств, можно превратить «абсолютно жесткий» ПАВ, например некаль в продукты радиолиза, которые отлично усваиваются микроорганизмами активного ила. И не только некаль. Та же судьба постигает и другие ПАВ сложного строения.
Итак, исследователи установили, что в отличие от разборчивых микроорганизмов излучение всеядно. В соответствующих условиях и при достаточной дозе практически любые ПАВ (и не только ПАВ) можно превратить в продукты, представляющие гастрономический интерес для микроорганизмов. По мере накопления данных вырисовывались контуры будущих технологических процессов радиационной очистки воды, намечались области применения. А области эти достаточно широки: можно разрушать не только ПАВ, но и ядовитые загрязнения — например, ядохимикаты или цианиды,— обесцвечивать содержащиеся в стоках природные или синтетические красящие вещества, подавлять ценообразование, ускорять осаждение суспензий и коллоидных частиц.
Для всех этих целей даже не нужно разрушать молекулы до основания. Подчас достаточно незначительного изменения, чтобы избавиться от вредного свойства того или иного продукта.
Что же, значит, перед радиационным методом очистки открыта зеленая улица? Не совсем. Основным барьером на пути нового метода является его низкая эффективность. Радиационно-химический выход разложения не превышает 5 молекул на 100 электрон-вольт затраченной энергии. Если перевести эту величину в более привычные единицы, это означает, что на 1 затраченный киловатт-час разрушается всего 0,5 килограмма ПАВ типа децилбензолсульфоната. Учитывая, что киловатт-час радиационной энергии стоит в 100 раз дороже, чем киловатт-час электроэнергии, легко понять, что такая очистка будет стоить слишком дорого.
Вполне естественно, что сразу же возник вопрос о снижении себестоимости радиационной очистки. Этого можно добиться двумя способами — снижением стоимости энергии излучения или повышением эффективности радиационного разложения. За то время, в течение которого велись исследования, стоимость энергии излучения искусственных изотопов снизилась примерно вдвое. Стоимость энергии ускоренных электронов, получаемых на электрических преобразователях-ускорителях, снизилась раз в пять-шесть. Так что на первом пути достигнут заметный прогресс.
А как обстоит дело со вторым? В химии известны так называемые цепные процессы. Они характерны тем, что на одну частицу, реагирующую в начальной стадии процесса, в итоге цепочки самопроизвольных превращений без дополнительных затрат энергии получается несколько молекул продукта. Чем больше молекул продукта приходится на одну исходную частицу, тем эффективнее цепная реакция перед нецепной.
К сожалению, подавляющее большинство процессов радиолиза в разбавленных растворах относится к нецепным. Для них характерны выходы не больше 10—20 молекул на 100 электрон-вольт. Способов превращения нецепных процессов в цепные не так уж много. Иногда это удается сделать повышением концентрации или с помощью некоторых добавок. Но оба эти способа не очень подходят для очистки сточных вод.
В лаборатории профессора Джагацпаняна нашли еще одну «лазейку». Ученые обнаружили, что если облучать не раствор, а пену, полученную продуванием воздуха через раствор ПАВ, кпд разложения повышается до нескольких десятков молекул на 100 электрон-вольт. Эффект еще нужно изучить и объяснить, но уже сейчас исследователи могут сказать, что скорее всего он связан со способностью ПАВ концентрироваться на границе раздела, в данном случае на поверхности пленки пены. Это обстоятельство, а также идеальный контакт с кислородом воздуха благоприятствуют быстрому окислению ПАВ. Исследователи получили в лабораторных опытах с пеной примерно десятикратное по сравнению с растворами увеличение эффективности разрушения ПАВ. Если в промышленном процессе удастся получить, по меньшей мере, такой же эффект, это позволит снизить стоимость радиационной очистки от ПАВ примерно раз в десять. Выигрыш весьма ощутимый.
Коротенько о ПАВ. Страшно? Нет!
Задумывались ли Вы о том, какие химические вещества содержаться в моющих средствах, и какое воздействие они могут оказать на Ваш организм? Многие возможно задавались такого рода вопросами, а кто-то полностью доверяет производителям и использует их продукцию без особых знаний о возможной опасности.
На рынке сегодня представлено множество различных моющих средств, и важно обезопасить себя от некачественной и опасной продукции, которая может нанести вред Вам и Вашей семье.
Поверхностно-Активные Вещества (ПАВ) — химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела термодинамических фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения.
Итак, все ПАВ делятся только на две группы: ионогенные и неионогенные.
Ионогенные ПАВ: катионные, анионные, амфотерные.
Неионогеннные ПАВ: алкилполиглюкозиды, алкилполиэтоксилаты.
И вот отсюда нам становится очень интересно.
Объемы производства и потребления катионоактивных ПАВ значительно меньше анионоактивных, однако выпуск их увеличивается.
В синтетических моющих средствах с дезинфицирующим действием используются четвертичные аммониевые соли первичных, вторичных и третичных аминов, а в последнее время и оксиды аминов.
Я никогда не использую катионные ПАВ в своих средствах для кожи, несмотря на их дешевизну, экономичность ввода, способность к обильному и стойкому пенообразованию с огромными пузырями.
АМФОТЕРНЫЕ ПАВ. В зависимости от рН среды обладают анионактивными или катионактивными свойствами. В щелочной среде проявляют анионактивные свойства, в кислой среде — катионактивные. К амфотерным ПАВ относятся бетаины, аминоксиды и такие ПАВ как имидазолины (кокоамфодиацетат натрия).
Амфотерные ПАВ широко применяются в производстве пеномоющих средств и шампуней благодаря их мягкому воздействию на кожу. Применяются даже в средствах для младенцев. Посмотрите на состав вашего средства для душа, посмотрите состав моющего средства длля вашего ребенка. Вы наверняка увидите там кокамидопропил бетаин. Это самый распространенный ингридиет подобных средств.
Это еще интереснее.
Давайте разбираться. При рН 7, т.е. быть щелочным. Или производители вешают нам лапшу о рН=5,5?
К амфотерным ПАВ я отношусь довольно осторожно. И применяю их в смываемых средствах для кожи только тогда, когда значение рН не обязательно должен быть слабокислотный.
АНИОННЫЕ ПАВ. К анионным ПАВ относятся карбоновые кислоты и соли синтетических жирных кислот это соединения, которые в водных растворах диссоциируют с образованием анионов (отрицательно заряженных ионов), обусловливающих поверхностную активность. На долю анионоактивных из всех производимых ПАВ приходится более 70%.
Да, пена гораздо менее «высокая», стабильная, скорее она походит на крем-пену, но кожа однозначно говорит мне: «спасибо» за такое к ней отношение.
НЕИОНОГЕННЫЕ ПАВ. Не диссоциируют в растворах на ионы, являются смесью гомологов с различной длиной полиоксиэтиленовой цепи (моно- и ди- глицериды жирных кислот, амиды жирных кислот, алкилгликозоиды). Они могут использоваться как в присутствии растворимых солей, так и в кислой или щелочной средах.
Пенообразующая способность неоногенных ПАВ существенно ниже, чем всех вышеперечисленных. Это связано с большей скоростью образования адсорбционных слоев у ионогенных ПАВ. Стабильность пены повышается с ростом концентрации.
Но мне думается, что если Вы читаете этот мой короткий обзор, значит для Вас имеет значеие, из чего сделан «вкусненький гелик для душа», а значит Вы просто перестали быть жертвой ркламы.